8-inch SiC epitaxiale oven en homeepitaxiaal procesonderzoek

Momenteel transformeert de SiC-industrie van 150 mm (6 inch) naar 200 mm (8 inch). Om tegemoet te komen aan de dringende vraag naar grote, hoogwaardige SiC-homo-epitaxiale wafers in de industrie, werden 150 mm en 200 mm 4H-SiC-homo-epitaxiale wafers met succes geprepareerd op huishoudelijke substraten met behulp van de onafhankelijk ontwikkelde 200 mm SiC epitaxiale groeiapparatuur. Er werd een homo-epitaxiaal proces ontwikkeld dat geschikt is voor 150 mm en 200 mm, waarbij de epitaxiale groeisnelheid groter kan zijn dan 60 μm/uur. Hoewel aan de snelle epitaxie wordt voldaan, is de kwaliteit van de epitaxiale wafel uitstekend. De dikte-uniformiteit van 150 mm en 200 mm SiC epitaxiale wafers kan binnen 1,5% worden geregeld, de concentratie-uniformiteit is minder dan 3%, de fatale defectdichtheid is minder dan 0,3 deeltjes / cm2 en de epitaxiale oppervlakteruwheid wortel gemiddelde kwadraat Ra is minder dan 0,15 nm, en alle kernprocesindicatoren bevinden zich op het geavanceerde niveau van de industrie.

Siliciumcarbide (SiC) is een van de vertegenwoordigers van de halfgeleidermaterialen van de derde generatie. Het heeft de kenmerken van een hoge doorslagveldsterkte, uitstekende thermische geleidbaarheid, grote driftsnelheid van de elektronenverzadiging en een sterke stralingsweerstand. Het heeft de energieverwerkingscapaciteit van elektrische apparaten aanzienlijk uitgebreid en kan voldoen aan de servicevereisten van de volgende generatie vermogenselektronische apparatuur voor apparaten met een hoog vermogen, kleine afmetingen, hoge temperaturen, hoge straling en andere extreme omstandigheden. Het kan de ruimte verkleinen, het energieverbruik verminderen en de koelingsvereisten verminderen. Het heeft revolutionaire veranderingen teweeggebracht op het gebied van nieuwe energievoertuigen, spoorvervoer, slimme netwerken en andere terreinen. Daarom worden halfgeleiders van siliciumcarbide erkend als het ideale materiaal dat leidend zal zijn in de volgende generatie elektronische apparaten met hoog vermogen. Dankzij de nationale beleidssteun voor de ontwikkeling van de derde generatie halfgeleiderindustrie zijn het onderzoek, de ontwikkeling en de constructie van het 150 mm SiC-apparaatindustriesysteem in China de afgelopen jaren grotendeels voltooid en is de veiligheid van de industriële keten in principe gegarandeerd. Daarom is de focus van de industrie geleidelijk verschoven naar kostenbeheersing en efficiëntieverbetering. Zoals weergegeven in Tabel 1 heeft 200 mm SiC, vergeleken met 150 mm, een hogere randbenuttingsgraad en kan de output van enkele waferchips met ongeveer 1,8 keer worden verhoogd. Nadat de technologie volwassen is geworden, kunnen de productiekosten van een enkele chip met 30% worden verlaagd. De technologische doorbraak van 200 mm is een directe manier om "de kosten te verlagen en de efficiëntie te verhogen", en het is ook de sleutel voor de halfgeleiderindustrie van mijn land om "parallel te lopen" of zelfs "leider te zijn".

Anders dan bij het Si-apparaatproces worden SiC-halfgeleidervermogensapparaten allemaal verwerkt en voorbereid met epitaxiale lagen als hoeksteen. Epitaxiale wafers zijn essentiële basismaterialen voor SiC-vermogensapparaten. De kwaliteit van de epitaxiale laag bepaalt rechtstreeks de opbrengst van het apparaat, en de kosten ervan vertegenwoordigen 20% van de productiekosten van de chip. Daarom is epitaxiale groei een essentiële tussenschakel in SiC-vermogensapparaten. De bovengrens van het epitaxiale procesniveau wordt bepaald door epitaxiale apparatuur. Op dit moment is de lokalisatiegraad van binnenlandse 150 mm SiC epitaxiale apparatuur relatief hoog, maar de algehele lay-out van 200 mm blijft tegelijkertijd achter bij het internationale niveau. Om de urgente behoeften en knelpuntproblemen van grootschalige, hoogwaardige epitaxiale materiaalproductie voor de ontwikkeling van de binnenlandse halfgeleiderindustrie van de derde generatie op te lossen, introduceert dit artikel daarom de 200 mm SiC epitaxiale apparatuur die met succes in mijn land is ontwikkeld. en bestudeert het epitaxiale proces. Door het optimaliseren van de procesparameters zoals procestemperatuur, draaggasstroomsnelheid, C/Si-verhouding, enz., wordt de concentratie-uniformiteit <3%, niet-uniformiteit van de dikte <1,5%, ruwheid Ra <0,2 nm en fatale defectdichtheid <0,3 deeltjes /cm2 van epitaxiale SiC-wafels van 150 mm en 200 mm met een zelfontwikkelde epitaxiale oven van 200 mm siliciumcarbide. Het apparatuurprocesniveau kan voldoen aan de behoeften van hoogwaardige voorbereiding van SiC-vermogensapparaten.

1 Experimenten

1.1 Principe van het epitaxiale SiC-proces

Het homo-epitaxiale groeiproces van 4H-SiC omvat hoofdzakelijk twee belangrijke stappen, namelijk het in situ etsen bij hoge temperatuur van het 4H-SiC-substraat en het homogene chemische dampafzettingsproces. Het belangrijkste doel van in-situ etsen van het substraat is het verwijderen van de ondergrondse schade van het substraat na het polijsten van de wafel, de resterende polijstvloeistof, deeltjes en oxidelaag, en door etsen kan een regelmatige atomaire stapstructuur op het substraatoppervlak worden gevormd. In-situ etsen wordt gewoonlijk uitgevoerd in een waterstofatmosfeer. Afhankelijk van de werkelijke procesvereisten kan ook een kleine hoeveelheid hulpgas worden toegevoegd, zoals waterstofchloride, propaan, ethyleen of silaan. De temperatuur van het in situ waterstofetsen ligt over het algemeen boven 1.600 ℃, en de druk van de reactiekamer wordt tijdens het etsproces over het algemeen onder 2 x 104 Pa gehouden.

Nadat het substraatoppervlak is geactiveerd door in situ etsen, komt het in het chemische dampafzettingsproces bij hoge temperatuur terecht, dat wil zeggen de groeibron (zoals ethyleen/propaan, TCS/silaan), dopingbron (n-type dopingbron stikstof p-type doteringsbron TMAl) en hulpgas zoals waterstofchloride worden naar de reactiekamer getransporteerd via een grote stroom draaggas (meestal waterstof). Nadat het gas in de reactiekamer op hoge temperatuur heeft gereageerd, reageert een deel van de precursor chemisch en adsorbeert op het waferoppervlak, en er wordt een monokristallijne homogene 4H-SiC epitaxiale laag met een specifieke doteringsconcentratie, specifieke dikte en hogere kwaliteit gevormd. op het substraatoppervlak met behulp van het eenkristallijne 4H-SiC-substraat als sjabloon. Na jaren van technische verkenning is de 4H-SiC-homepitaxiale technologie feitelijk volwassen geworden en wordt deze op grote schaal gebruikt in de industriële productie. De meest gebruikte 4H-SiC-homepitaxiale technologie ter wereld heeft twee typische kenmerken: (1) Het gebruik van een schuin gesneden substraat buiten de as (ten opzichte van het <0001> kristalvlak, in de richting van de <11-20> kristalrichting) als een sjabloon wordt een hoogzuivere monokristallijne 4H-SiC epitaxiale laag zonder onzuiverheden op het substraat afgezet in de vorm van een stapsgewijze groeimodus. Vroege 4H-SiC-homoepitaxiale groei maakte voor groei gebruik van een positief kristalsubstraat, dat wil zeggen het <0001> Si-vlak. De dichtheid van atomaire stappen op het oppervlak van het positieve kristalsubstraat is laag en de terrassen zijn breed. Tweedimensionale kiemvormingsgroei kan gemakkelijk optreden tijdens het epitaxieproces om 3C-kristal SiC (3C-SiC) te vormen. Door off-axis snijden kunnen atoomstappen met hoge dichtheid en smalle terrasbreedte worden geïntroduceerd op het oppervlak van het 4H-SiC <0001> substraat, en de geadsorbeerde voorloper kan effectief de atomaire stappositie bereiken met relatief lage oppervlakte-energie door oppervlaktediffusie . Bij de stap is de bindingspositie van het voorloperatoom/moleculaire groep uniek, dus in de stapstroomgroeimodus kan de epitaxiale laag perfect de stapelvolgorde van de Si-C dubbele atomaire laag van het substraat erven om een ​​enkel kristal te vormen met hetzelfde kristal fase als substraat. (2) Epitaxiale groei met hoge snelheid wordt bereikt door het introduceren van een chloorhoudende siliciumbron. In conventionele SiC-systemen voor chemische dampdepositie zijn silaan en propaan (of ethyleen) de belangrijkste groeibronnen. In het proces van het verhogen van de groeisnelheid door het verhogen van de stroomsnelheid van de groeibron, terwijl de partiële evenwichtsdruk van de siliciumcomponent blijft toenemen, is het gemakkelijk om siliciumclusters te vormen door homogene gasfasekiemvorming, wat de benuttingsgraad van de siliciumcomponent aanzienlijk vermindert. silicium bron. De vorming van siliciumclusters beperkt de verbetering van de epitaxiale groeisnelheid aanzienlijk. Tegelijkertijd kunnen siliciumclusters de stapstroomgroei verstoren en defectkiemvorming veroorzaken. Om homogene kiemvorming in de gasfase te vermijden en de epitaxiale groeisnelheid te verhogen, is de introductie van op chloor gebaseerde siliciumbronnen momenteel de reguliere methode om de epitaxiale groeisnelheid van 4H-SiC te verhogen.

1.2 200 mm (8 inch) SiC epitaxiale apparatuur en procesomstandigheden

De in dit artikel beschreven experimenten werden allemaal uitgevoerd op een 150/200 mm (6/8-inch) compatibele monolithische horizontale SiC epitaxiale apparatuur met hete wand, onafhankelijk ontwikkeld door het 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. De epitaxiale oven ondersteunt het volledig automatisch laden en lossen van wafers. Figuur 1 is een schematisch diagram van de interne structuur van de reactiekamer van de epitaxiale apparatuur. Zoals weergegeven in figuur 1, is de buitenwand van de reactiekamer een kwartsklok met een watergekoelde tussenlaag, en is de binnenkant van de klok een reactiekamer op hoge temperatuur, die is samengesteld uit thermisch isolerend koolstofvilt, zeer zuiver. speciale grafietholte, zwevende roterende basis van grafietgas, enz. De gehele kwartsklok is bedekt met een cilindrische inductiespoel en de reactiekamer in de klok wordt elektromagnetisch verwarmd door een middenfrequente inductievoeding. Zoals weergegeven in figuur 1 (b) stromen het draaggas, het reactiegas en het doteringsgas allemaal door het waferoppervlak in een horizontale laminaire stroom van stroomopwaarts van de reactiekamer naar stroomafwaarts van de reactiekamer en worden afgevoerd via de staart. gas einde. Om de consistentie binnen de wafel te garanderen, wordt de wafel die door de luchtdrijvende basis wordt gedragen tijdens het proces altijd geroteerd.

Het in het experiment gebruikte substraat is een commercieel 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) <1120> richting 4° uit een hoek geleidend n-type 4H-SiC dubbelzijdig gepolijst SiC-substraat geproduceerd door Shanxi Shuoke Crystal. Trichloorsilaan (SiHCl3, TCS) en ethyleen (C2H4) worden gebruikt als de belangrijkste groeibronnen in het procesexperiment, waaronder TCS en C2H4 worden gebruikt als respectievelijk siliciumbron en koolstofbron, hoogzuivere stikstof (N2) wordt gebruikt als n- type dopingbron, en waterstof (H2) wordt gebruikt als verdunningsgas en draaggas. Het epitaxiale procestemperatuurbereik is 1.600 ~ 1.660 ℃, de procesdruk is 8×103 ~12×103 Pa en het H2-dragergasdebiet is 100~140 l/min.

1.3 Testen en karakteriseren van epitaxiale wafers

Fourier-infraroodspectrometer (apparatuurfabrikant Thermalfisher, model iS50) en kwiksondeconcentratietester (apparatuurfabrikant Semilab, model 530L) werden gebruikt om het gemiddelde en de verdeling van de epitaxiale laagdikte en dopingconcentratie te karakteriseren; de dikte en de doteringsconcentratie van elk punt in de epitaxiale laag werden bepaald door punten te nemen langs de diameterlijn die de normaallijn van de hoofdreferentierand snijdt op 45° in het midden van de wafer met een randverwijdering van 5 mm. Voor een wafer van 150 mm werden 9 punten genomen langs een lijn met een enkele diameter (twee diameters stonden loodrecht op elkaar), en voor een wafer van 200 mm werden 21 punten genomen, zoals weergegeven in figuur 2. Een atoomkrachtmicroscoop (fabrikant van apparatuur Bruker, model Dimension Icon) werd gebruikt om gebieden van 30 μm x 30 μm in het middengebied en het randgebied (5 mm randverwijdering) van de epitaxiale wafel te selecteren om de oppervlakteruwheid van de epitaxiale laag te testen; de defecten van de epitaxiale laag werden gemeten met behulp van een oppervlaktedefecttester (apparatuurfabrikant China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) voor karakterisering.

2 Experimentele resultaten en discussie

2.1 Epitaxiale laagdikte en uniformiteit

Epitaxiale laagdikte, dopingconcentratie en uniformiteit zijn één van de kernindicatoren voor het beoordelen van de kwaliteit van epitaxiale wafers. Nauwkeurig regelbare dikte, doteringsconcentratie en uniformiteit binnen de wafer zijn de sleutel tot het waarborgen van de prestaties en consistentie van SiC-vermogensapparaten, en epitaxiale laagdikte en uniformiteit van de dopingconcentratie zijn ook belangrijke basis voor het meten van de procesmogelijkheden van epitaxiale apparatuur.

Figuur 3 toont de dikte-uniformiteit en distributiecurve van epitaxiale SiC-wafels van 150 mm en 200 mm. Uit de figuur blijkt dat de epitaxiale laagdikteverdelingskromme symmetrisch is rond het middelpunt van de wafel. De epitaxiale procestijd is 600 s, de gemiddelde epitaxiale laagdikte van de epitaxiale wafel van 150 mm is 10,89 μm en de dikte-uniformiteit is 1,05%. Volgens berekening bedraagt ​​de epitaxiale groeisnelheid 65,3 μm/uur, wat een typisch snel epitaxiaal procesniveau is. Onder dezelfde epitaxiale procestijd is de epitaxiale laagdikte van de epitaxiale wafel van 200 mm 10,10 μm, de dikte-uniformiteit ligt binnen 1,36% en de totale groeisnelheid is 60,60 μm / uur, wat iets lager is dan de epitaxiale groei van 150 mm tarief. Dit komt omdat er onderweg duidelijk verlies optreedt wanneer de siliciumbron en de koolstofbron van stroomopwaarts van de reactiekamer door het wafeloppervlak naar stroomafwaarts van de reactiekamer stromen, en het wafeloppervlak van 200 mm groter is dan de 150 mm. Het gas stroomt over een langere afstand door het oppervlak van de 200 mm-wafel en het brongas dat onderweg wordt verbruikt, is groter. Onder de voorwaarde dat de wafel blijft roteren, is de totale dikte van de epitaxiale laag dunner, waardoor de groeisnelheid langzamer is. Over het geheel genomen is de dikte-uniformiteit van epitaxiale wafers van 150 mm en 200 mm uitstekend, en kan de procescapaciteit van de apparatuur voldoen aan de eisen van hoogwaardige apparaten.

2.2 Dopingconcentratie en uniformiteit in de epitaxiale laag

Figuur 4 toont de uniformiteit van de doteringsconcentratie en de curveverdeling van epitaxiale SiC-wafels van 150 mm en 200 mm. Zoals uit de figuur blijkt, heeft de concentratieverdelingskromme op de epitaxiale wafel een duidelijke symmetrie ten opzichte van het midden van de wafel. De uniformiteit van de doteringsconcentratie van de epitaxiale lagen van 150 mm en 200 mm is respectievelijk 2,80% en 2,66%, wat binnen 3% kan worden gecontroleerd, wat een uitstekend niveau is onder vergelijkbare internationale apparatuur. De doteringsconcentratiecurve van de epitaxiale laag is verdeeld in een "W" -vorm langs de diameterrichting, die hoofdzakelijk wordt bepaald door het stromingsveld van de horizontale epitaxiale oven met hete wand, omdat de luchtstroomrichting van de epitaxiale groeioven met horizontale luchtstroom afkomstig is van het luchtinlaatuiteinde (stroomopwaarts) en stroomt vanaf het stroomafwaartse uiteinde in een laminaire stroming door het waferoppervlak; Omdat de "langsweg uitputting"-snelheid van de koolstofbron (C2H4) hoger is dan die van de siliciumbron (TCS), neemt de feitelijke C/Si op het wafeloppervlak geleidelijk af vanaf de rand tot het midden (de koolstofbron in het midden is minder), volgens de "competitieve positietheorie" van C en N neemt de doteringsconcentratie in het midden van de wafel geleidelijk af naar de rand toe. Om een ​​uitstekende concentratie-uniformiteit te verkrijgen, wordt de rand N2 toegevoegd als compensatie tijdens het epitaxiale proces om de afname van de doteringsconcentratie van het midden naar de rand te vertragen, zodat de uiteindelijke doteringsconcentratiecurve een "W" -vorm vertoont.

2.3 Epitaxiale laagdefecten

Naast de dikte en de doteringsconcentratie is het niveau van controle op epitaxiale laagdefecten ook een kernparameter voor het meten van de kwaliteit van epitaxiale wafers en een belangrijke indicator voor de procesmogelijkheden van epitaxiale apparatuur. Hoewel SBD en MOSFET verschillende eisen stellen aan defecten, worden meer voor de hand liggende defecten in de oppervlaktemorfologie, zoals valdefecten, driehoeksdefecten, worteldefecten en komeetdefecten, gedefinieerd als dodelijke defecten voor SBD- en MOSFET-apparaten. De kans op falen van chips die deze defecten bevatten is hoog, dus het beheersen van het aantal killer-defecten is van groot belang voor het verbeteren van de chipopbrengst en het verlagen van de kosten. Figuur 5 toont de verdeling van killer-defecten van epitaxiale SiC-wafels van 150 mm en 200 mm. Op voorwaarde dat er geen duidelijk onevenwicht is in de C/Si-verhouding, kunnen worteldefecten en komeetdefecten in principe worden geëlimineerd, terwijl valdefecten en driehoeksdefecten verband houden met de zuiverheidscontrole tijdens de werking van epitaxiale apparatuur, het onzuiverheidsniveau van grafiet onderdelen in de reactiekamer en de kwaliteit van het substraat. Uit Tabel 2 kunnen we zien dat de fatale defectdichtheid van epitaxiale wafers van 150 mm en 200 mm kan worden geregeld binnen 0,3 deeltjes/cm2, wat een uitstekend niveau is voor hetzelfde type apparatuur. Het controleniveau van de fatale defectdichtheid van een epitaxiale wafel van 150 mm is beter dan dat van een epitaxiale wafel van 200 mm. Dit komt omdat het substraatvoorbereidingsproces van 150 mm volwassener is dan dat van 200 mm, de substraatkwaliteit beter is en het onzuiverheidscontroleniveau van de grafietreactiekamer van 150 mm beter is.

2.4 Epitaxiale oppervlakteruwheid van de wafel

Figuur 6 toont de AFM-beelden van het oppervlak van epitaxiale SiC-wafels van 150 mm en 200 mm. Zoals uit de figuur blijkt, is de gemiddelde oppervlakteruwheid Ra van epitaxiale wafels van 150 mm en 200 mm respectievelijk 0,129 nm en 0,113 nm, en is het oppervlak van de epitaxiale laag glad, zonder duidelijk macrostapaggregatieverschijnsel, dat geeft aan dat de groei van de epitaxiale laag altijd de stapvormige groeimodus handhaaft gedurende het gehele epitaxiale proces, en dat er geen stapaggregatie plaatsvindt. Het is te zien dat de epitaxiale laag met een glad oppervlak kan worden verkregen op substraten met een lage hoek van 150 mm en 200 mm door gebruik te maken van het geoptimaliseerde epitaxiale groeiproces.

3. Conclusies

150 mm en 200 mm 4H-SiC homo-epitaxiale wafels werden met succes bereid op huishoudelijke substraten met behulp van de zelf ontwikkelde 200 mm SiC epitaxiale groeiapparatuur, en een homo-epitaxiaal proces geschikt voor 150 mm en 200 mm werd ontwikkeld. De epitaxiale groeisnelheid kan groter zijn dan 60 μm/uur. Hoewel wordt voldaan aan de eis voor snelle epitaxie, is de kwaliteit van de epitaxiale wafel uitstekend. De dikte-uniformiteit van 150 mm en 200 mm SiC epitaxiale wafers kan binnen 1,5% worden geregeld, de concentratie-uniformiteit is minder dan 3%, de fatale defectdichtheid is minder dan 0,3 deeltjes / cm2 en de epitaxiale oppervlakteruwheid wortel gemiddelde kwadraat Ra is minder dan 0,15 nm. De kernprocesindicatoren van de epitaxiale wafers bevinden zich op het geavanceerde niveau in de industrie.

--------------------------------------------- --------------------------------------------- --------------------------------------------- --------------------------------------------- --------------------------------------------- ------------------------------

VeTek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant vanCVD SiC-gecoat plafond, CVD SiC-coatingmondstuk, EnInlaatring met SiC-coating.  VeTek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor verschillende SiC Wafer-producten voor de halfgeleiderindustrie.

Als je geïnteresseerd bent8-inch SiC epitaxiale oven en homeepitaxiaal proces, neem dan gerust direct contact met ons op.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com